[發明專利]用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN層的方法

有效

• 申請號: 202110689764.6
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113436968B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 黃忠梅;黃偉其;鄭云譽;陳夢元;張航;李鑫;王安琛;王梓霖;王可
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: H01L21/268
• 分類號: H01L21/268;H01L21/324
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 李亮;程新敏

本發明公開了利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的方法，用飛秒或納秒脈沖激光束作用硅表面，產生表面等離子層，電子跟隨光頻震蕩浮于表面形成電子氣，而惰性大的硅離子層分布在下方，通過向硅離子層注入P型摻雜形成下面的P型硅層；然后，在短脈沖激光濺射出的硅離子逐漸沉積的表層上沖入N型氣體形成上面的N型硅層；最后，經高溫退火形成穩定的PN結層結構。本發明采用了純物理的過程來進行制備，屬于綠色環保類型，所得的樣品與現有技術相比有很多優越性，其制備流程易于運作與操控，研制出的器件效果較好，且易于進行產業化推廣。

技術領域

本發明涉及一種利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的方法和裝置，可以應用于PN結發光器件和PN結光伏器件的產業化。

背景技術

從電子信息時代發展到光子信息時代半導體材料和器件扮演了重要的角色，尤其是硅材料摻雜構建的PN結器件及其集成放大器起到了很重要的作用。傳統的在硅基材料上制備PN結的技術和工藝都很復雜，專業化要求非常高。我們發明的這種利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的方法是一種純物理的方法，其原理清晰且容易操作和控制，其裝置容易實現，且效果較好，特別適合推廣到芯片集成的PN結層產業化中去。

發明內容

本發明的目的是：提供一種利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的方法，獲取制備硅材料PN結層結構的全新技術與手段，這種方法與技術采用純物理的過程屬于綠色環保類型，流程易于運作與操控，研制出的器件效果較好，且易于進行產業化推廣。

本發明是這樣實現的：利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的方法，用飛秒或納秒脈沖激光束作用硅表面，產生表面等離子層，電子跟隨光頻震蕩浮于表面形成電子氣，而惰性大的硅離子層分布在下方，通過向硅離子層注入P型摻雜形成下面的P型硅層；然后，在短脈沖激光濺射出的硅離子逐漸沉積的表層上沖入N?型氣體形成上面的N型硅層；最后，經高溫退火形成穩定的PN結層結構。

所述的注入P型摻雜是用三族固體進行P型摻雜，從而形成P型硅層。

所述的沖入N型氣體是用五族氣體進行N型摻雜，從而形成N型硅層。

所述的注入P型摻雜是在10^-6Pa的真空腔中，用紫外納秒激光束作用三族固體靶材濺射離子沉積于硅緩沖層上，進行P型摻雜，從而形成P型硅層。

在10^-6Pa的真空腔中沖入N型氣體，將真空降至10Pa左右，用紫外納秒激光束作用于硅靶上濺射硅離子摻氮沉積于P型硅層上，形成N型硅層，其過程中加負高壓1800V形成等離子體束流30-50mA以加固N型硅層。

將利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備的PN層上用納秒脈沖激光沉積上硅封頂層，經1000℃高溫退火晶化形成穩定的PN結層結構。

在利用短脈沖激光產生的等離子體作用制備的硅PN層中，用退火與摻雜構建PIN夾層里的量子點結構，從而應用與硅基發光和光伏器件中。

由于采用上述方案，本發明采用了純物理的過程來進行制備，屬于綠色環保類型，所得的樣品與現有技術相比有很多優越性，其制備流程易于運作與操控，研制出的器件效果較好，且易于進行產業化推廣。

附圖說明

圖1利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結流程裝置結構圖；

圖2利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結的原理及其物理圖像；

圖3在利用短脈沖激光產生的等離子體作用在硅表面制備PN結器件上測量的正反向的I-V特性曲線圖。

具體實施方式